Анаморфотные насадки и цифровая техника

Идея использовать совместно цилиндрические и сферические линзы возникла в 1897 году у Эрнста Аббе (Ernst Abbe, 1840-1905). Мне всегда очень хотелось посмотреть, что это дает применительно к цифровым камерам. На этапе маленьких матриц,  да еще с прямоугольными чувствительными элементами, эта идея казалась очень привлекательной, с увеличением матриц энтузиазм несколько померк. Но тут по случаю удалось приобрести на www.molotok.ru насадку анаморфотную проекционную 35-НАП2-3М 80-140, и появилась возможность на практике проверить некоторые принципиальные проблемы использования комбинации сферических и цилиндрических линз при съемке и проецировании изображения.

История вопроса

Задача полностью использовать стандартный кинокадр для получения изображения с большим отношением сторон была решена французским ученым Анри Кретьеном (Henri Chretien, 1879-1956), создавшим в 1927 году объектив «Гипергонар» (Hypergonar), позволявший примерно вдвое увеличить поле зрения в горизонтальном направлении. Французской Академии Наук это изобретение представил 30 мая 1927 года Луи Люмьер.

Первый фильм «Construire un feu» с анаморфотным объективом Кретьена  в 1929 году снял Клод Отан-Лара (Claude Autant-Lara) по мотивам новеллы Джека Лондона.  Однако, как обычно, творчество «технарей» пало жертвой разборок  «гуманитариев», и  фильм сразу же был снят с афиш. Не берусь судить, насколько полезной оказалась человечеству в данном случае защита чьих-то прав, однако движение научного прогресса в массы было отброшено на много лет :-)

В 1935 году фирма  Парамаунт (Paramount) отсняла 10 экспериментальных бобин пленки. В 1937 году объектив Гипергонар был использован для проекции фильма во дворце Люмьера во время Международной выставки. В 1952 году Гипергонаром заинтересовалась фирма Фокс (Fox).

И в результате в 1953 году зритель увидел первый фильм «Тога» (The Robe), снятый по этой системе компанией «20ый век-Фокс» (29th Century-Fox). Система широкоэкранного кино с анаморфированным кадром, разработанная этой фирмой по патенту Кретьена, получила название «Синемаскоп» (CinemaScope). Съемка производилась на кадр формата 18,7х23,8 мм и растягивалась с помощью анаморфотной насадки на экран с соотношением сторон 1:2,55. Аспекты покупки и перепродажи прав между кинокомпаниями мне не до конца понятны, во всяком случае, в это же время фирма Парамаунт вместе с А. Кретьеном предпочла продолжить исследование над системой Виста Вижн (VistaVision), которая должна была конкурировать с Синемаскопом.  В СССР первый широкоэкранный фильм «Илья Муромец» был создан в 1956 году на киностудии Мосфильм.

Широкоэкранное кино не обязательно подразумевает, что в обоих процессах - и съемки, и проецирования -  используется цилиндрическая оптика. С целью снижения затрат на производство широкоэкранных фильмов итальянской фирмой «Техниколор» в 1964 году была разработана система «Технископ». Съемка производится традиционной сферической оптикой на вдвое меньший по высоте кадр, а затем делается анаморфированная позитивная копия на обычной кинопленке. Таким образом, полностью используется вся площадь кадра и возможности стандартного проекционного аппарата.   

Техника и теория вопроса

Анаморфотная насадка представляет собой трубу Галилея, или всем известный театральный бинокль, в который вы смотрите с другой стороны. Как известно, особенностью такой оптической системы является то, что входящий в нее параллельный пучок параллельным и выходит, поскольку точка фокуса отрицательной линзы совпадает с фокусом положительной. У анаморфотной системы линзы не сферические, а цилиндрические. То есть, в одном сечении это все те же окружности, а в другом плоско-параллельные пластины.

Эта особенность приводит к тому, что если точки фокуса линз слегка смещены друг относительно друга, то выходящий пучок перестанет быть параллельным. В сферических афокальных насадках на объектив при этом точная фокусировка все равно может быть достигнута перемещением объектива относительно пленки или матрицы. В случае цилиндрических линз в одном из сечений они представляют собой систему плоско-параллельных пластинок, и в этом случае смещение их друг относительно друга не приведет к нарушению параллельности входящего пучка. Поэтому точная фокусировка системы, состоящей из объектива и анаморфотной телескопической насадки, должна производиться как перемещением объектива, так и  смещением линз насадки друг относительно друга. В этом случае можно добиться одинаковой резкости как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости.

Как видно из исторической и оптической части данной заметки, использование  анаморфотной насадки для проецирования вполне комфортно: достаточно один раз отъюстировать систему, чтобы получить резкое изображение на экране. Задача проекционных систем с анаморфотными насадками - полностью использовать возможности имеющегося оборудования в нестандартной ситуации. В цифровой технике здесь ситуация абсолютно аналогична киноиндустрии полувековой давности. Есть проекционные системы с ограниченным числом жидко-кристаллических ячеек или зеркал и отношением сторон 4:3. Хочется показывать широкоэкранный фильм, используя всю площадь системы, создающей изображение. Оставлять незадействованным значительное число проецирующих элементов в виде черной полосы снизу и сверху чересчур накладно. Программным способом легко изображение сжать таким образом, что будут задействованы все пиксели по высоте проецирующей системы. А чтобы изображение не казалось сжатым на экране, поставить перед объективом анаморфотную насадку. Возможность программной трансформации изображения заложена в большинство проигрывателей видеофильмов. Анаморфотные объективы для цифровых проекторов выпускаются, возможно, не очень массово, но свою нишу они занимают. Выпускаются анаморфотные насадки и для съемочных видеокамер. Однако здесь не все так просто.    

При съемке надо осуществлять непрерывную наводку на резкость вращением как оправы объектива, так и насадки. Если снимать движущиеся объекты, то понадобятся как руки оператора, так и его помощника, и оба они будут в мыле. Если требования к качеству не очень высокие, а света много, то можно понадеяться на глубину резкости. В остальных же случаях велика вероятность, что вырезание части кадра с нестандартными пропорциями даст лучший результат.   

Обосновать использование анаморфотной насадки с фотокамерами существенно сложнее, чем с маленькими матрицами видеокамер. Зато есть возможность более детально изучить особенности процесса и его дефекты. Как я уже писал, досталась мне проекционная насадка, да еще, как видно из названия, рассчитанная на фокусное расстояние объектива 80-140 мм. И это при кадре18,7х23,8 мм. Таким образом, даже при  работе с камерой Canon 5D трудно претендовать на увеличение углов охвата по сравнению со стандартными объективами, не говоря уже о Canon D60 и ей подобных. Можно только трансформировать отношение сторон кадра. Можно использовать все чувствительные элементы матрицы для получения кадра с отношением строн 2:6 или 4:3. Насколько это нужно и для чего - вопрос, который я традиционно не обсуждаю, я просто описываю существующее техническое решение, возможно, кто-нибудь придумает, для чего ему это может быть полезно.

Габариты насадки - 130х172 мм при весе 2,81 кг. То есть крепления ее на объектив не выдержит ни одна камера. Комфортно с такой пушкой за фотомоделью или другой пигалицей не побегаешь. Как и для любой пушки, для съемки с этой насадкой пришлось соорудить лафет.

Вышеприведенная конструкция лафета предусматривает независимое крепление объектива и камеры. Удобно для подбора объектива и юстировки системы. Моя проекционная насадка явно была рассчитана на гигантские залы. Нанесенная на нее шкала дистанций: 9, 16, 20, 25, 32, 40, 50 м и бесконечность. К счастью, перед задней линзой есть прокладочное кольцо толщиной 4 мм. Убрав его, удается добиться фокусировки и на более коротких дистанциях. Естественно, после его удаления шкалу дистанций надо калибровать заново. При сборке следует добиваться, чтобы оси цилиндров, образующих линзы, лежали в одной плоскости, в противном случае качество снимков резко падает. Если все отъюстировано правильно, то максимальная резкость для горизонтальных штрихов достигается за счет перемещения объектива на расстояние, соответствующее фокусировке без насадки, и не зависит от дистанции фокусировки насадки. Если дистанции на шкале объектива и насадки не совпадают, то наблюдаются две раздельных точки фокусировки для горизонтальных и вертикальных штрихов. Эти точки подтверждаются системой автофокуса аппарата, если объектив присоединен через кольцо с "Одуванчиком". Рассмотрим снимки мир, расположенных по центру кадра, снятых объективом Волна с насадкой и без. Для наглядности фрагменты при верстке увеличены в 2 раза.

Если рассматривать только центр кадра, то съемка с насадкой дает небольшой выигрыш по информационной емкости кадра по сравнению со съемкой с вдвое большего расстояния и использованием только центральной полосы для получения пропорций 2:6. Однако на краях разрешение падает существенно резче, чем у объектива без насадки, и для 12 мегапиксельной матрицы камера Canon 5D использование насадки остается спорным. Использование насадки с 4 мегапиксельной камерой Casio QV-4000 представляется в этом смысле более перспективным, если бы не ошарашивающая разница в габаритах и весе. Для совместимости с малогабаритными камерами надо установить фокусное расстояние объектива, равное по углу зрения рекомендованному производителями насадок. В данном случае минимальное рекомендованное фокусное расстояние - 80 мм для кадра шириной 23,8 мм. Для матрицы шириной 7 мм эквивалентное фокусное расстояние будет равно 23 мм, однако, у насадки есть некоторый запас, и поэтому без виньетирования удается снимать уже при фокусном расстоянии 18 мм.

Миниатюры исходных снимков
Фрагменты (центр)
Снимок увеличен в 2 раза	Снимок растянут в 2 раза по горизонтали
Фрагменты (край)
Casio QV-4000 F=8 мм	Casio QV-4000 F=18 мм + 35-НАП2-3М

Как видно из приведенных фрагментов, разрешение объектива при фокусном расстоянии 8 мм оказалось хуже, чем у комбинации объектив + насадка, но при фокусном расстоянии 18 мм.

В этой конструкции камера с объективом Волна жестко прикреплена к насадке. Естественно, ни один стандартный байонет не выдержит веса объектива с насадкой, если попытаться закрепить камеру за штативное гнездо. В данном случае лафет выполняет функции только крепления насадки к штативу. Объектив Волна, предназначенный для ручной фокусировки, имеет прочную оправу без люфтов, и резьба для светофильтров не вращается при вращении кольца фокусировки. К камере объектив прикреплен через систему переходных колец: Байонет В-Б, байонет Б - М42, М42- Canon EOS с "одуванчиком". При жестком креплении объектива к насадке можно, при некоторой ловкости, снимать с рук, что я и попытался сделать. И вот, что у меня получилось:

  

Миниатюра исходного снимка. При кадре 24х36 мм камеры Canon 5D края виньетируются, поскольку насадка рассчитана на кинокадр, близкий по размеру к матрице таких камер как Canon D60 или D350. Но учитывая, что насадка предназначена для работы с длиннофокусными объективами, на мой взгляд, больше шансов найти практическое применение именно снимкам, сделанным Canon 5D, несмотря на то, что для этой камеры с объективом 80 мм удается достичь отношения сторон кадра не 3, как для D60, а только 2,7. Все равно это больше, чем нам давало широкоэкранное кино :-)

Еще один снимок с горизонтальным расположением кадра:

В отличие от кино, в фотографии может пригодится и вертикальное расположение кадра.

P.S.

Как видите, в этой истории от идеи до технического решения прошло 30 лет и еще 25 до коммерчески выгодной реализации, поэтому не будем загадывать, найдет ли эта идея широкое распространение в цифровой фотографии. Сейчас появились аппараты с двумя матрицами и двумя объективами, почему бы не сделать аппарат, где второй широкоугольный объектив будет иметь анаморфотную оптику, а исправление пропорций будет сразу осуществлять процессор камеры.